گیت منطقی NOT

گیت منطقی NOT، اساسی‌ترین نوع در گیت‌های منطقی است و اغلب به‌عنوان بافر معکوس‌کننده یا درحالت ساده‌تر یک وارون‌ساز، شناخته می‌شود.

گیت‌های معکوس‌کننده‌ی NOT، المان‌هایی تک ورودی هستند؛ که سطح خروجی آن‌ها در حالت نرمال در سطح منطقی “1” است و زمانی‌که تک ورودی آن در سطح منطقی “1” قرار می‌گیرد؛ به حالت پایین (LOW) و سطح “0” می‌رود. به بیان دیگر، سیگنال ورودی خود را “معکوس می‌کند”( مکمل آن است). خروجی یک گیت NOT، تنها در زمانی‌که ورودی آن، در سطح منطقی “0” باشد؛ دوباره به “بالا” (HIGH) برمی‌گردد و عبارت بولی  را به ما می‌دهد.

درنتیجه، تعریف عملکرد یک گیت منطقی دیجیتال تک ورودی NOT، به‌صورت زیر است:

“اگر A صحیح (true) نباشد (NOT)، پس Q صحیح (true) است”

گیت NOT با ترانزیستور

یک گیت منطقی NOT تک ورودی ساده را می‌توان با استفاده از سوئیچ‌های ترانزیستور-مقاومتی RTL و ورودی‌ مستقیما متصل به بیس‌ ترانزیستور، همانطور که در زیر نشان داده شده‌است؛ ساخت. ترانزیستور برای قرارگرفتن در خروجی “خاموش (OFF)” و وارون‌شده‌ی  Q، باید اشباع‌شده و”روشن (ON)” شود.

درحال حاضر، گیت‌های منطقی NOT با استفاده از مدارهای دیجیتال، برای تولید تابع منطقی موردنظر، در دسترس می‌باشند. گیت NOT استاندارد، دارای نمادی با شکل مثلث است و انتهای آن به سمت راست اشاره دارد و یک دایره‌ی کوچک، به این انتها چسبیده است. این دایره با نام “حباب وارون‌ساز” شناخته می‌شود و برای نمادهای گیت NOT، NAND و NOR و در خروجی آنها برای نشان‌دادن عملکرد منطقی تابع NOT استفاده می‌شود. این حباب، نشان‌دهنده‌ی وارون‌شدن( مکمل‌سازی) سیگنال است و می‌تواند در هر کدام از پایانه‌های ورودی و/ یا خروجی و یا هردو، حاضر باشد.

جدول درستی گیت NOT

جدول درستی

به صورت A معکوس به ما Q را می‌دهد

نماد

عبارت بولی  ‾Q= not A or A  

گیت‌های منطقی NOT، مکمل سیگنال ورودی خود را فراهم می‌کنند و از این‌رو، با این نام خوانده می‌‌شوند، که زمانی ‌که، ورودی سیگنال آن‌ها “HIGH” است؛ حالت خروجی آنها، “HIGH” نخواهدبود. و به‌همین ترتیب، وقتی‌که، ورودی سیگنال آن‌ها “LOW” است؛ حالت خروجی آنها، LOW”” نخواهدبود. به دلیل تک ورودی بودن این قطعات، گیت‌های منطقی NOT، به‌صورت نرمال به‌عنوان قطعات تصمیم‌گیری کننده یا حتی به‌عنوان گیت، مانند گیت‌های AND یا OR که دارای دو یا چند ورودی منطقی هستند؛ دسته‌بندی نمی‌شوند. آی‌سی‌های گیت NOT تجاری دردسترس، با 4 یا 6 گیت منحصربفرد در یک پکیج آی‌سی تک، موجود می‌باشند.

“حباب” موجود در انتهای نماد گیت NOT، نشان‌دهنده‌ی وارونگی سیگنال (مکمل‌بودن) برای یک سیگنال خروجی است. اما این حباب می‌تواند در ورودی گیت نیز حاضر باشد، که نشان‌دهنده‌ی ورودی فعالِ پایین (active-LOW) است. این وارونگی سیگنال ورودی، تنها به گیت NOT محدود نمی‌شود؛ بلکه برای هر مدار دیجیتال یا گیتی، به‌عنوان عملکرد وارون‌سازیِ کاملا برابر، چه برای پایانه‌ی ورودی و چه خروجی استفاده می‌شود. ساده‌ترین راه، درنظرگرفتن حباب به‌عنوان یک وارون‌ساز است.

وارون سازی سیگنال با استفاده از حباب ورودی Active-low

معادل‌های گیت NAND و NOR

یک وارون‌ساز یا گیت منطقی NOT، می‌تواند، برای مثال، با استفاده از گیت‌های NAND و NOR استاندارد و با استفاده از اتصال تمام ورودی‌ها به یک سیگنال ورودی مشترک ساخته شود.

یک وارون‌ساز بسیار ساده، می‌تواند با استفاده از تنها یک مدار سوئیچینگ ترانزیستور تک مرحله‌ای، همانند زیر، نشان داده ‌شود.

هنگامی‌که، ورودی بیس ترانزیستورها در نقطه‌ی “A” در سطح high قرار می‌گیرد؛ ترانزیستور عمل هدایت را انجام می‌دهد و شارش جریان کلکتور، افت ولتاژی را در دو سر مقاومت R تولید می‌کند و از این‌رو، نقطه‌ی خروجی “Q” را به زمین وصل می‌کند و ولتاژ صفر را در خروجی “Q”، نتیجه می‌دهد.

 به همین ترتیب، زمانی‌که، ورودی بیس ترانزیستور در “A”، low (0 ولت) است؛ ترانزیستور به حالت “خاموش (OFF)” می‌رود و هیچ شارش جریانی از کلکتور در مقاومت، وجود نخواهد داشت و درنتیجه، ولتاژ خروجی در Q””، high شده و مقدار آن، نزدیک مقدار +VCC قرار می‌گیرد.

پس با در حالت HIGH بودن ورودی ولتاژ “A”، خروجی “Q” در حالت LOW قرار می‌گیرد و با در حالت LOW بودن ورودی ولتاژ “A”، خروجی “Q” بدست‌آمده در حالت HIGH خواهدبود و مکمل یا وارون سیگنال ورودی را تولید می‌کند.

معکوس‌کننده‌های هگزاشمیت (Hex Schmitt)

یک وارون‌ساز استاندارد یا گیت منطقی NOT، معمولا از مدارهای سوئیچینگ ترانزیستوری ساخته می‌شودی و در این مدارها، سوئیچینگ از یک حالت به حالت بعدی، سریعا رخ نمی‌دهد و همیشه در عمل سوئیچینگ، تاخیر وجود خواهد داشت.

همچنین، از آنجایی‌که ترانزیستور، یک تقویت‌کننده‌ی اصلی جریان است؛ می‌تواند در حالت خطی نیز عمل کند و هرگونه تغییر کوچک در سطح ورودی آن، باعث تغییر در سطح خروجی آن می‌شود و یا حتی ممکن است؛ در صورت وجود نویز، چندین بار “خاموش (OFF)” و “روشن (ON)”شدن در آن رخ دهد. یکی از راه‌های غلبه بر این مشکلات، استفاده از وارونگر اشمیت یا وارون‌ساز هگز است.

از قبل می‌دانیم؛ که همه‌ی گیت‌های دیجیتال، فقط از دو حالت ولتاژ منطقی استفاده می‌کنند و درحالت کلی، به آنها منطق “۱“ و منطق “۰“ گفته می‌شود و به‌ترتیب، هر ولتاژ ورودی TTL بین 2 ولت و 5 ولت به‌عنوان منطق “1” و هر ورودی ولتاژ کمتر از 0.8 ولت، به‌عنوان منطق “0”، شناخته می‌شود.

یک وارونساز اشمیت، برای عمل یا تغییر حالت، در زمانی‌که سیگنال ورودی آن، از حد یک “ولتاژ آستانه‌ی بالا” یا UTV بالاتر، قرار می‌گیرد؛ طراحی شده‌است و در این حالت، خروجی تغییر کرده و به سطح “LOW” می‌رود و تا زمانی در این حالت می‌ماند؛ که سیگنال خروجی به زیر “ولتاژ آستانه‌ی پایین” یا LTV برود و در این حالت به سطح “HIGH” می‌رود. به بیان دیگر، یک وارون‌ساز اشمیت، نوعی از هیسترزیس را در مدار سوئیچینگ خود تعبیه کرده‌است.

 عمل سوئیچینگ بین حد آستانه‌های بالا و پایین، سیگنال خروجی سوئیچینگ “خاموش (OFF)”/”روشن (ON)”شدن تمیزتر و سریع‌تری را ارائه می‌کند و وارون‌ساز اشمیت را برای سوئیچینگ هر سیگنال ورودی افزایش آهسته (slow-rising) یا کاهش آهسته (slow-falling) ایده‌آل می‌سازد و به همین

خاطر ما می‌توانیم از تریگر اشمیت برای تبدیل این سیگنال‌های آنالوگ به سیگنال‌های دیجیتال، همانند زیر استفاده کنیم.

معکوس‌کننده‌ی اشمیت

نوسانگر معکوس کننده گیت NOT اشمیت

مدار اول، یک نوسان‌ساز بسیار ساده از نوع RC کم‌توان را نشان می‌دهد؛ که از یک وارون‌ساز اشمیت برای تولید شکل‌موج خروجی موج مربعی استفاده می‌کند. درابتدا، خازن C، به‌طور کامل تخلیه می‌شود؛ بنابراین، ورودی وارون‌ساز درحالت “LOW” است و درنتیجه خروجی معکوس آن برابر با “HIGH”، ایجاد می‌شود. با بازگشتن خروجی وارون‌ساز به ورودی آن، خازن از طریق مقاومت R، شروع به شارژشدن می‌کند.

هنگامی‌که، ولتاژ شارژشدن خازن‌ها به حد آستانه‌ی بالایی وارون‌ساز می‌رسد؛ وارون‌ساز تغییر حالت می‌دهد؛ خروجی به حالت “LOW” می‌رود و خازن شروع به تخلیه‌ی شارژ از طریق مقاومت تا زمان رسیدن به سطح آستانه‌ی پایین، نموده و سپس وارون‌ساز، تغییر وضعیت می‌دهد. این سوئیچینگ بالا و پایین، توسط وارون‌ساز، سیگنال خروجی موج مربعی با سیکل کاری 33% و فرکانسی برابر با f = 680/RC  را تولید می‌کند.

مدار دوم، یک ورودی موج سینوسی( یا هر ورودی نوسانی) را به یک خروجی موج مربعی، تبدیل می‌کند. ورودی وارون‌ساز به اتصال شبکه‌ی تقسیم ولتاژی وصل می‌شود و برای تنظیم نقطه‌ی ایستای مدار استفاده می‌شود. خازن ورودی هر مولفه‌ی DC موجود در سیگنال ورودی را مسدود می‌کند و تنها به سیگنال موج سینوسی، اجازه‌ی عبور می‌دهد.

با عبور این سیگنال از نقاط آستانه‌ی بالا و پایین وارون‌ساز، خروجی از “”HIGH به “LOW” تغییر می‌کند و به این ترتیب، شکل‌موج خروجی موج مربعی را تولید می‌کند. این مدار، یک پالس خروجی در لبه‌ی بالارونده‌ی مثبت شکل‌موج ورودی تولید می‌کند؛ اما با اتصال وارون‌ساز اشمیت دوم به خروجی اول، می‌توان مدار اصلی را برای تولید یک پالس خروجی در لبه‌ی پایین‌رونده‌ی منفی سیگنال ورودی، تغییر داد.

گیت منطقی دیجیتال NOT و IC معکوس‌سازی که بیشتر دردسترس است؛ شامل:

TTL- گیت منطقی NOT

CMOS- گیت منطقی NOT

وارون‌ساز یا گیت NOT7404

در آموزش بعدی در مورد گیت‌های منطقی دیجیتال، تابع منطقی دیجیتال NAND را در هردو مدار منطقی TTL و CMOS ، به‌همراه تعریف جبر بولی و جدول درستی آن، بررسی خواهیم‌کرد.